CN113241530B - 一种应用于智能超表面的控制方法及智能超表面的控制器 - Google Patents

一种应用于智能超表面的控制方法及智能超表面的控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能超表面及其控制方法，通过扫描线驱动电路和信号线驱动电路相互配合控制智能超表面RIS单元的工作状态，实现利用少数控制器引脚控制大规模的反射阵列的目的，从而节省智能超表面系统的成本，提高控制器的利用效率；此外，本发明可以通过模拟通断电路实现对RIS单元的模拟控制，相较于现有技术采用1比特或2比特量化处理的数字控制方式，能够采用更高分辨率的模拟控制，从而减少量化损失，提高控制精度。

Description

一种应用于智能超表面的控制方法及智能超表面的控制器
技术领域
本发明属于涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种智能超表面及其控制方法。
背景技术
在5G无线通信领域甚至是未来6G无线通信领域，毫米波技术都作为一项关键技术有着极其重要的作用，但是毫米波又有着十分致命的缺陷，遇到障碍物时损耗严重，导致通信效果不理想。为了解决这个问题，一种思路是在无线通信环境增加一种特殊制造的、低成本、可编程的智能超表面(RIS/Large Intelligent Surface/ReconfigurableIntelligent Surface/Software Defined Surface/Metasurface/IRS/IntelligentReflecting Surface/Reconfigurable Meta-Surfaces/Holographic MIMO等，下文均用RIS表述)来辅助通信。智能超表面(也被称为智能反射面)的主要组成部分是可编程人工电磁表面结构。该结构是一种由大量亚波长单元按照周期或非周期性的排列组成的，具有可重配电磁特性的二维薄层。基本单元通常由金属、介质和可调器件构成。通过控制反射单元的可调部分，例如电磁波的幅度、相位，能够实现对电磁波传播方向的调控。
当基站(Base Station)与用户设备(User Equipment)之间有阻隔时，可以通过在合适的位置加装一块RIS，信号可以在RIS处实现智能化定向反射，反射角度可以通过软件控制。可以用算法将反射的电磁信号指向用户所在位置，从而极大提高接收信号的功率，提升通信速率和可靠性，改善用户体验，应用场景如图1所示。
现今智能超表面的控制方法是使用一个控制器IO口控制一个反射单元，然而由于超表面往往有大量的电磁单元，因此需要大量的控制器IO口资源，导致硬件实现成本居高不下。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种智能超表面及其控制方法，由此解决需要大量的控制器IO口控制超能超反面RIS单元的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明第一方面，提供了一种智能超表面，所述智能超表面包括位于外层的多个RIS单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移，其特征在于，
所述控制电路板包括：扫描线驱动电路、多个模拟通断电路和信号线驱动电路；
多个RIS单元与多个模拟通断电路一一对应；模拟通断电路包括晶体管和电容，晶体管的栅极与扫描线驱动电路连接，源极与信号线驱动电路连接，漏极分别与RIS单元的一端及电容的一端连接，RIS单元的另一端及电容的另一端接地；
所述扫描线驱动电路，与控制器连接，用于接收控制器发送的扫描信号，传输至晶体管的栅极，选通RIS单元；
所述信号线驱动电路，与控制器连接，用于接收控制器发送的电压控制信号，将电压控制信号进行数模转换并传输至晶体管的源极，加载到选通的RIS单元。
优选地，晶体管的漏极通过运算放大器与RIS单元连接。
优选地，所述扫描线驱动电路为译码逻辑电路或移位寄存器电路。
优选地，晶体管为场效应管。
按照本发明的第二方面，提供了一种应用于第一方面所述的智能超表面的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：计算智能超表面各RIS单元在当前时刻的控制电压信号，将所述智能超表面的RIS单元划分为至少一个集合；
S2：确定每个集合内各RIS单元在该时刻所需的电压控制信号；
S3：选取一个集合，向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于传输至晶体管的栅极，以选通该集合的各RIS单元；
S4：向信号线驱动电路发送该集合的电压控制信号，所述电压控制信号经数模转换后传输至晶体管的源极，以同时加载到该集合的各RIS单元；
S5：重复步骤S3-S4，直至各集合在该时刻所需的电压控制信号均已加载完毕。
优选地，以预设时间间隔重复步骤S3-S4，直至各集合在当前时刻所需的电压控制信号均已加载完毕。
优选地，电容容值与电容充电电流、智能超表面RIS单元刷新一次所需的时间满足以下关系：
Figure RE-GDA0003152336440000031
其中，n为智能超表面RIS单元的行数，T为智能超表面RIS单元刷新一次所需的时间，RRIS为RIS单元的阻值，Icharge为电容的充电电流，Vds为晶体管漏极和源极之间的电压差。
优选地，将所述智能超表面的RIS单元划分为多个相同的集合，每个集合包括若干行、若干列或者若干块。
按照本发明的第三方面，提供了一种智能超表面的控制器，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第二方面所述的智能超表面的控制方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
可通过扫描线驱动电路和信号线驱动电路相互配合控制智能超表面 RIS单元的工作状态，实现利用少数控制器引脚控制大规模的反射阵列的目的，器件成本低，系统复杂度低，从而节省智能超表面系统的成本，提高控制器的利用效率，具有高独立可控性，与现有技术中每个RIS单元单独控制的方法相比，实现了利用少数引脚控制大规模的智能超表面阵列的目的，使得更大规模的智能超表面系统成为可能。此外，通过模拟通断电路实现对RIS单元的模拟控制，相较于现有技术采用1比特或2比特量化处理的数字控制方式，能够采用更高分辨率的模拟控制，从而减少量化损失，提高控制精度。
进一步地，当RIS单元未被选通时，晶体管处于关断状态，由于运算放大器的输入电阻很大，可以使RIS两端电压下降小于百分之五的状态保持更长的时间，从而降低控制器刷新RIS面板的频率，提高RIS面板工作的稳定性，并且由于运算放大器的输出驱动能力较强，采用该种电路结构可以驱动阻抗小的RIS单元，提高通用性。
进一步地，当扫描线驱动电路为译码逻辑电路或移位寄存器电路时，能够减少所需控制器端口数量，从而进一步减少成本。
进一步地，晶体管采用分立的场效应管，场效应管对于导通与关断的响应更加迅速，从而提高整体控制效率，此外，场效应管的导通电阻较小，从而降低控制器刷新RIS面板的频率，提高稳定性。
进一步地，通过设置预设时间间隔保证电容具有足够的充电时长，使电容的电压维持在较为稳定的水平，从而确保当晶体管处于关断状态时，电容具有足够的电量来保持驱动晶体管的电压，进一步提高控制方法的稳定性。
附图说明
图1是RIS辅助的无线通信系统示意图；
图2是智能超表面示意图；
图3是智能超表面反射单元等效电路示意图；
图4是本发明实施例提供的基于模拟通断电路的智能超表面按行扫描控制方法示意图；
图5是本发明实施例提供的模拟通断电路示意图之一；
图6是本发明实施例提供的模拟通断电路示意图之二；
图7是本发明实施例提供的基于模拟通断电路的智能超表面按行扫描控制方法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-2所示，智能超表面是一种辅助通信系统，它利用其上的反射单元改变入射到表面的电磁波的相位或幅度，通过大量反射单元的共同作用，可以实现电磁波的定向反射，从而使得基站信号可以绕过阻挡物到达用户。
智能超表面反射单元的等效电路的具有三种类型，如图3所示，使用 PIN二极管、变容二极管、微电子机械系统开关、场效应管开关等都可以调控RIS单元的结构参数，每个单元的控制信号加载到输入端对其进行控制。
本发明实施例提供一种基于模拟通断电路的智能超表面，所述智能超表面包括位于外层的多个RIS单元，用于与入射信号相互作用；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移；
所述控制电路板包括：扫描线驱动电路、多个模拟通断电路和信号线驱动电路；
多个RIS单元与多个模拟通断电路一一对应；模拟通断电路包括晶体管和电容，晶体管的栅极与扫描线驱动电路连接，源极与信号线驱动电路连接，漏极分别与RIS单元的一端及电容的一端连接，RIS单元的另一端及电容的另一端接地。
具体地，如图4-5所示，模拟通断电路包括晶体管T1和电容C1，即每个RIS单元中使用晶体管T1来控制输出电压，使用一个保持电容C1来储存信号电压。晶体管T1的栅极Gate与扫描线驱动电路的扫描线Gi连接，源极Source与信号线驱动电路的信号线Sj连接，漏极Drain分别与RIS单元的一端及电容的一端连接，RIS单元的另一端及电容的另一端接地，即漏极Drain与RIS单元及保持电容C1并联接地。
所述扫描线驱动电路，用于工作时与控制器连接，接收到控制器发送的扫描信号后，选通至少一个RIS单元；
所述信号线驱动电路，用于工作时与控制器连接，接收到控制器发送的电压控制信号后，将电压控制信号进行数模转换并加载到选通的RIS单元上。
具体地，信号线驱动电路可以为任意具有数模转换和增强驱动能力功能的电路。
当扫描线驱动电路接收到控制器发送的扫描信号后，晶体管T1处于导通状态，信号线上的控制电压信号被加载到RIS单元上并给电容充电；当该RIS单元的扫描信号脉冲结束后，晶体管T1变为关断状态，保持电容 C1仍能保持驱动晶体管T1的电压，从而为RIS单元提供持续的驱动电压，直到下一次选通到来。
优选地，本发明实施例提供的智能反射面，智能超表面可以为阵列式或圆盘式等。
优选地，控制器可采用FPGA、单片机等微处理器，负责RIS面板的定时刷新。
本发明实施例提供的智能反射面，可通过扫描线驱动电路和信号线驱动电路相互配合控制智能超表面RIS单元的工作状态，实现利用少数控制器引脚控制大规模的反射阵列的目的，从而节省智能超表面系统的成本，提高控制器的利用效率；此外，本发明可以通过模拟通断电路实现对RIS 单元的模拟控制，相较于现有技术采用1比特或2比特量化处理的数字控制方式，能够采用更高分辨率的模拟控制，从而减少量化损失，提高控制精度。
优选地，晶体管的漏极通过运算放大器与RIS单元连接。
具体地，如图6所示，运算放大器的同相输入端与晶体管的漏极连接，运算放大器处于单位跟随状态，输出端同时与RIS单元及反相输入端连接。
当RIS单元被选通时，晶体管处于导通状态，信号线上的控制电压信号被加载到运算放大器的同向输入端并给电容充电；控制电压信号经过运算放大器跟随后加载到RIS单元上。
当RIS单元未被选通时，晶体管处于关断状态，由于运算放大器的输入电阻很大，可以使RIS两端电压下降小于百分之五的状态保持更长的时间，从而降低控制器刷新RIS面板的频率，提高RIS面板工作的稳定性，并且由于运算放大器的输出驱动能力较强，采用该种电路结构可以驱动阻抗小的RIS单元，提高通用性。
优选地，所述扫描线驱动电路为译码逻辑电路或移位寄存器电路。
所述扫描线驱动电路可以采用译码逻辑电路依次选通RIS单元，或采用移位寄存器电路依次选通RIS单元。
具体地，若使用译码逻辑电路，则扫描信号为控制信号，经过译码后再选通；若使用移位寄存器电路，则扫描信号为移位脉冲。
可以理解的是，对于具有n行m列的阵列式智能超表面，当扫描线驱动电路为译码逻辑电路时，控制端口数量由n*m变为m+logn2，从而减少了所需控制端口数量；当扫描线驱动电路为移位寄存器电路时，控制端口数量由n*m变为m+1，相较于采用译码逻辑电路的方案，进一步减少了所需控制端口数量。
本发明实施例提供的智能反射面，当扫描线驱动电路为译码逻辑电路或移位寄存器电路时，能够减少所需控制器端口数量，从而进一步减少成本。
优选地，晶体管为场效应管。
具体地，晶体管可以采用分立的场效应管，场效应管对于导通与关断的响应更加迅速，从而提高整体控制效率，此外，场效应管的导通电阻较小，从而降低控制器刷新RIS面板的频率，提高稳定性。
优选地，晶体管为三极管或薄膜晶体管。
具体的，晶体管还可以采用分立的三极管，也可以采用集成的薄膜晶体管以利于控制电路板的集成。
本发明实施例提供一种智能超表面的控制方法，应用于如上述任一实施例所示的超表面，如图7所示，包括：
S1：计算智能超表面各RIS单元在当前时刻的控制电压信号，将所述智能超表面的RIS单元划分为至少一个集合。
具体地，控制器计算并存储智能超表面各RIS单元在当前时刻的控制电压信号，将所述智能超表面的RIS单元划分为至少一个集合，划分的集合数量可由本领域技术人员根据智能超表面的规模，以及对控制效率的具体需求情况进行划分。
S2：确定每个集合内各RIS单元在该时刻所需的电压控制信号；
S3：选取一个集合，向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于传输至晶体管的栅极，以选通该集合的各RIS单元；
S4：向信号线驱动电路发送该集合的电压控制信号，所述电压控制信号经数模转换后传输至晶体管的源极，以同时加载到该集合的各RIS单元；
S5：重复步骤S3-S4，直至各集合在该时刻所需的电压控制信号均已加载完毕。
以如图4所示的具有n行m列的阵列式智能超表面为例，若将智能超表面的RIS单元按行进行划分，则所述智能超表面被划分为n个集合，每个集合包括m个RIS单元，每一行的RIS单元连接同一扫描线，每一列的智能超表面连接同一信号线，每次选择一个集合，即按行扫描智能超表面，可以控制该集合内RIS单元的反射状态；未选通的集合将保持住控制电压，这样依次选通并控制各个集合，就可以完整地控制整个智能超表面。
具体地，控制器向扫描线驱动电路发送扫描信号，由扫描线驱动电路选通某一RIS单元集合，即每次选择G1，G2，G3，…，Gn-1，Gn中的任意一行，向扫描线驱动电路发送扫描信号，以供其选通该集合的各RIS单元；接着，控制器向信号线驱动电路发送该集合的电压控制信号，以供信号线驱动电路在选中集合的m个RIS单元加载电压控制信号，也即，在每一行的选通时间内，控制器控制信号线驱动电路，将电压信号加载在信号线S1，S2，S3，S4，…，Sm-1，Sm上，此时，被选中集合的各RIS单元的晶体管导通，电压加载到RIS单元上；未选通的集合的各RIS单元的晶体管关断，控制电压由保持电容C1保持；重复上述步骤，直至各集合在该时刻所需的电压控制信号均已加载完毕。
本发明实施例提供的方法，可通过行列扫描的方式控制智能超表面RIS 单元的工作状态，从而实现利用少数控制器引脚控制大规模的反射阵列的目的，从而节省智能超表面系统的成本，提高控制器的利用效率；此外，通过模拟通断电路实现对RIS单元的模拟控制，相较于现有技术采用1比特或2比特量化处理的数字控制方式，能够采用更高分辨率的模拟控制，从而减少量化损失，提高控制精度。
优选地，以预设时间间隔重复步骤S3-S4，直至各集合在当前时刻所需的电压控制信号均已加载完毕。
具体地，当信号线上的电压被加载到选中集合的各RIS单元上时，也同时在给各模拟通断电路中的电容C1充电，以保证当晶体管T1处于关断状态时，其驱动电压能够由电容C1放电保持，因此，可以理解的是，应保证电容C1具有足够的充电时长，即预设时间间隔，使保持电容C1的电压维持在较为稳定的水平，从而确保当晶体管T1处于关断状态时，电容C1具有足够的电量来保持驱动晶体管T1的电压。
本发明实施例提供的方法，通过设置预设时间间隔保证电容具有足够的充电时长，使电容的电压维持在较为稳定的水平，从而确保当晶体管处于关断状态时，电容具有足够的电量来保持驱动晶体管的电压，进一步提高该控制方法的稳定性。
优选地，预设时间间隔与电容容值满足以下关系：
Figure RE-GDA0003152336440000101
其中，t为时间间隔，C1为电容容值，n为智能超表面RIS单元的行数， T为智能超表面RIS单元刷新一次所需的时间，RRIS为RIS单元的阻值，Icharae为电容的充电电流，Vds为晶体管漏极和源极之间的电压差。
具体地，设RIS面板的尺寸为n行m列，每秒更新f次，则每次的更新时间为
Figure RE-GDA0003152336440000102
即：每帧(frame)更新时间为T，即RIS面板刷新一次所需时间为T，每行更新时间为
Figure RE-GDA0003152336440000103
电容的容值为C1，电容的充电时间dtcharge＝TH，电容的保持时间dthold＝T-TH。
设RIS单元的阻值为RRIS，MOS管关断时的RIS单元的电流和MOS漏电流之和为Ileak，关断时允许的电压降为dVhold，正常工作时RIS单元的电压为Vhold，需要充电的电压为信号线电压与RIS单元电压的电压差，即为晶体管漏极和源极之间的电压差Vds，则：
dVcharge＝Vds；
导通充电时，电容的充电电流为Icharge，Icharge·tcharge＞C1·dVcharge；为保证控制效果，要求：dVhold≤0.05×Vhold，即电压变化率不超过5％。
关断保持时，有：Ileak·thold＜C1·dVhold，其中
Figure RE-GDA0003152336440000111
联立上述式子，可以得到：
Figure RE-GDA0003152336440000112
所述预设时间间隔t＝T/n，则上式可转换为：
Figure RE-GDA0003152336440000113
优选地，将所述智能超表面的RIS单元划分为多个相同的集合，每个集合包括若干行、若干列或者若干块。
具体地，可以将所述智能超表面的RIS单元划分为多个相同的集合，例如：将具有n行m列的阵列式智能超表面的RIS单元按行进行划分，则所述智能超表面被划分为n个集合，每个集合包括m个RIS单元，由于每个集合的行数和列数相同，可进一步提高控制效率。
实施例1：
如图4所示，本实施例使用行扫描方式，每个RIS单元中使用晶体管 T1控制RIS的通断。一个RIS单元及其模拟通断电路的基本结构如图5所不。
本实施例中智能超表面一共n行m列RIS单元，控制器向扫描线驱动电路发送扫描信号，由扫描线驱动电路选通G1，G2，G3，...，Gn-1，Gn 中的某一行RIS单元，接着，控制器向信号线驱动电路发送此行RIS的控制信号，信号线驱动电路同时将控制电压加载在第S1，S2，S3，S4，...， Sm-1，Sm个RIS单元上，电压变化，幅度相位都会改变。未选通的行的各 RIS单元的晶体管关断，控制电压由保持电容C1保持。
整个系统工作过程如下：
(1)控制器根据智能超表面算法，确定超表面各个单元当前时刻所需要的控制电压。
(2)控制器控制扫描线驱动电路开始扫描，按一定次序选通G1，G2， G3，...，Gn-1，Gn，其余未选通的行的各RIS单元的晶体管处于关断状态。
(3)在每一行的选通时间内，控制器控制信号线驱动电路，将电压信号加载在信号线S1，S2，S3，S4，...，Sm-1，Sm上。
实施例2
如图7所示，本实施例使用列扫描方式。此时每行连接到信号线驱动电路，每列连接到扫描线驱动电路，所示的智能超表面仍然为n行m列，且模拟通断电路与扫描线、信号线驱动电路的连接方式不发生变化，即：晶体管的栅极与扫描线驱动电路连接，源极与信号线驱动电路连接，漏极分别与RIS单元的一端及电容的一端连接，RIS单元的另一端及电容的另一端接地。
本发明实施例提供一种智能超表面的控制器，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述任一实施例所述的智能超表面的控制方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于智能超表面的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：计算智能超表面各RIS单元在当前时刻的控制电压信号，将所述智能超表面的RIS单元划分为至少一个集合；
S2：确定每个集合内各RIS单元在该时刻所需的电压控制信号；
S3：选取一个集合，向扫描线驱动电路发送扫描信号，所述扫描信号用于传输至晶体管的栅极，以选通该集合的各RIS单元；
S4：向信号线驱动电路发送该集合的电压控制信号，所述电压控制信号经数模转换后传输至晶体管的源极，以同时加载到该集合的各RIS单元；
S5：重复步骤S3-S4，直至各集合在该时刻所需的电压控制信号均已加载完毕；
以预设时间间隔重复步骤S3-S4，直至各集合在当前时刻所需的电压控制信号均已加载完毕；
预设时间间隔与电容容值满足以下关系：
Figure FDA0003657792130000011
其中，t为时间间隔，C1为电容容值，n为智能超表面RIS单元的行数，T为智能超表面RIS单元刷新一次所需的时间，RRIS为RIS单元的阻值，Icharge为电容的充电电流，Vds为晶体管漏极和源极之间的电压差；
所述智能超表面包括位于外层的多个RIS单元；位于里层的控制电路板，用于调整每个RIS单元的反射幅度或相移；
所述控制电路板包括：扫描线驱动电路、信号线驱动电路和多个模拟通断电路；
多个RIS单元与多个模拟通断电路一一对应；模拟通断电路包括晶体管和电容，晶体管的栅极与扫描线驱动电路连接，源极与信号线驱动电路连接，漏极分别与RIS单元的一端及电容的一端连接，RIS单元的另一端及电容的另一端接地；
所述扫描线驱动电路，与控制器连接，用于接收控制器发送的扫描信号，传输至晶体管的栅极，选通RIS单元；
所述信号线驱动电路，与控制器连接，用于接收控制器发送的电压控制信号，将电压控制信号进行数模转换并传输至晶体管的源极，加载到选通的RIS单元。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述智能超表面的RIS单元划分为多个相同的集合，每个集合包括若干行、若干列或者若干块。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，晶体管的漏极通过运算放大器与RIS单元连接。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫描线驱动电路为译码逻辑电路或移位寄存器电路。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，晶体管为场效应管。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，晶体管为三极管或薄膜晶体管。
7.一种智能超表面的控制器，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求1-6任一项所述的智能超表面的控制方法。
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